不同变质处理对铝合金组织性能的影响摘要：在铸造Al-15%Si合金熔炼过程中分别加入变质剂P盐、P盐+Al-Sr中间合金对其进行变质处理，分析不同变质剂及它们的复合形式对合金力学性能和显微组织的影响。

实验结果表明，P盐和Al-Sr 中间合金都对合金组织有一定的细化作用，其中P盐主要细化初晶硅，P盐+Al-Sr中间合金的复合变质剂能同时细化初晶硅和共晶硅。

实验证明加入复合变质剂后合金的显微组织细化程度最高，力学性能最为优越。

关键词：铸造Al-Si合金、变质处理、显微组织、性能引言铝合金是目前采用最多的轻金属合金材料，而铸造Al-Si系列合金是铝合金系中应用最早、最广泛的铝合金，它是重要的合金之一，具有优异的铸造性能，良好的力学性能与物理化学性能。

它是目前研究和应用最为广泛的铸造铝合金，其产量占铸铝总产量的80%～90%，适用于各种铸造方法。

因此，研究Al-Si系列合金的组织性能特点，进一步探寻在普通生产工艺中强化铝硅合金性能的方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

铸造Al-Si合金具有良好的力学性能、铸造性能和切削性能，广泛应用于航空航天和你汽车工业。

Al-Si未变质处理时，共晶Si以粗大的针、片状存在，严重割裂了合金基体，降低了合金的强度和塑性。

Sr对共晶硅起到很好的变质作用，同时却促进了粗大的柱状和树枝状Al晶粒的形核生长，这说明对铸造Al-Si合金仅变质处理是不够的，还有必要对枝晶进行等轴化和细化，消除这种组织对合金力学性能的不利影响。

本文采用了不同的变质剂对Al-15%Si合金进行变质处理，研究了变质处理对合金组织的影响规律，同时初步探讨变质剂对Al-Si合金的细化变质机理。

1、实验方案设计1.1材料的选择本实验的目的在于研究不同变质剂对于铝合金组织及其性能的影响，为了实验的顺利进行以及实验过程之中出现较少的干扰因素，选择二元Al-Si合金作为本次实验的研究对象，由于变质处理作用的主要机制在于改变铸态下的Si的形态、数量及其分布，再加之合金液体要具有相对较好的流动性，最终确定Al-15Si作为实验材料。

1.2实验设备1)锭模的选择由于实验的需要和操作过程的顺利进行，选择金属型模具。

2)熔炼设备坩埚电阻炉、温度控制器、其它工具、石墨坩埚、石墨搅拌棒、配套的热电偶、天平、钟罩、撇渣勺、浇勺、夹钳等。

3)金像显微设备金相显微镜，型号：ZEISS-Imager1.3熔炼工艺设计根据所熔炼的合金和熔化炉的种类决定铝合金的具体熔炼工艺，但一般的工艺流程是：配料计算→准备金属炉料→准备非金属炉料→选择并准备熔炼、保温炉及工具→装炉及熔化→炉前分析、调整成分→精炼合金液→脱氧或扒渣→变质处理、细化晶粒→静置、保温-浇注。

1.4配料计算根据所提供的各种金属材料（炉料）的牌号、质保单或者化学报告等炉料的准确资料进行配料计算，其程序为：1）确定所需要的合金液的重量及所使用的炉料的组成比例和回炉料的重量，可按表1.1中的行之有效的经验数据来进行计算;表1.1铝合金炉料组成比例（经验数据）合金名称炉料组成比例（%）新金属一级回炉料二级回炉料三级回炉料铝合金20～4030～500～300～15酌情2）考虑元素的烧损，计算出100kg炉料内各元素的需要量，各元素的烧损经验值参照有关书籍。

3)根据1)所需熔化的合金重量，计算出各元素的实际需要量，一般元素多按上下的平均化学成分来计算，对于烧损量大的或要取上限的元素则要按上限值来计算;4)计算出在回炉料中行之有效的各元素的含量;5）计算出扣除回炉料中有效的合金元素的含量之外，还应补加新的合金元素的重量;6）根据5）计算的应该添加的各种中间合金的重量和纯金属的重量。

7）根据6)所计算的除回炉料和中间合金的重量之外，还应补加多少纯金属的重量;8)计算出实际的炉料的总质量;9）核算杂质含量，检验杂质含量是否超标，以便提出降低的措施;2、合金的熔炼与浇注2.1炉前准备2.1.1金属炉料的准备1）将金属铝和硅块切成适宜小块，便于熔化。

2）炉料表面清理3）在装炉前进行预热，400℃保温3～4小时。

2.1.2非金属材料准备1）精炼剂六氯乙烷的准备，用炉料总重量的0.7%的量，使用前在80～100℃的烘箱内烘烤一小时。

2）变质剂干燥处理，在熔化炉旁边预热一小时。

2.1.3熔炉及熔炼工具的准备,包括坩埚、炉子的清理检查，以及浇注工具的检查清理。

浇注前将金属型放入加热炉内预热至250～300℃，未使用的坩埚要进行烘烤焙烧及渗铝。

然后均匀喷涂涂料，在升温烘烤，然后才能投入使用。

2.1.4涂料配制：1）各种组分必须经过研磨，使其颗粒度达到140﹟筛过筛；2）涂料用水加热到60～80℃；3）配制涂料时，将1／3的水玻璃加入到水中，并使其溶解；4）将涂料的其他成分加入到剩余的水中，仔细搅拌用20＃过滤，去除较大颗粒，再将水玻璃溶液加入到已过滤的混合液中，进行搅拌并加热至沸腾；5）涂料放置时间太长不能使用；2.1.5熔炼工具的准备熔炼工具器具包括浇包、钟罩、撇渣勺、通气管、喷枪、锭模、锭模架等。

2.2熔炼及浇注1）先将硅块切成1㎝立方小块，然后将金属铝放在坩埚炉中加热熔化，当温度升高到850℃保温，当温度稳定在850℃时，用石墨钟罩迅速将Si压入到合金液中，持续15～20分钟，待硅全部溶解，轻搅一分钟即可。

2）清除浮渣，将温度控制在700～720℃，将准备好的精炼剂用钟罩分两次压入到合金液中，时间大概为10～13分钟。

3）经溶液温度调整到730℃左右时，进行一轮浇注，金属液倒入金属型进行浇筑，完成后放入炉子中继续保温加热。

4）进行变质处理将合金溶液温度提高到830℃左右，然后将准备好的变质剂P盐用钟罩或压勺压入合金液中，并用石墨棒充分搅拌。

变质10～15分钟后，再次进行浇注，浇注完成后再次保温。

5）在原有变质溶液的基础上，将温度提高到750℃左右时，然后将准备好的变质剂Al-Sr合金用钟罩或者压勺压到合金液内，并用石墨棒充分搅拌，变质10～15分钟。

将变质后的合金液进行浇注。

如果还有剩余合金液，再次浇注完成。

2.3显微组织观察2.3.1试样的制备1）将如图3.1所示的铝合金试棒从中间位置截成两段，取其任意一段在砂轮机上进行打磨，使其中心部位成为一个完整的平面，然后在平面边缘部位进行倒角处理，以便于在后期的试样制备操作中容易磨光并且减小摩擦阻力，不至于磨成多个平面，等待拿到金相试样制备室进行后续操作；2)制样：金相观察用的试样用钢锯条切取是为了避免热的作用；3）磨光：把锯条切取下来的试样用砂轮打磨。

由于铝合金的试样较软，在进行粗磨之前，需要先将金相试样打磨出来导角，避免在以后的粗磨中形成多个平面。

然后将金相试样依次在250#，400#，500#，600#，1000#的砂纸上进行粗磨，直到试样表面的划痕整齐划一且深度较小为止。

使得试样通过抛光机磨制前表面纹理少而细；4）抛光：经过砂纸磨制的金相试样需进行抛光，以期除去试样表面的细纹，可以更清楚的观察合金的金相组织，使其不受干扰。

本次实验的抛光在金属试样抛光机上进行，粗抛时采用三氧化二铬作为抛光剂，进行抛光。

然后细抛，在试样需抛光处上涂抹金刚石抛光膏进行抛光，然后加干净的水进行抛光，即可得到如镜面搬的抛光面；5）腐蚀：随后将其抛光面置入浓度为0.5%的HF水溶液中进行腐蚀。

腐蚀至试样表面的颜色变灰之后用酒精棉球将残留的HF水溶液擦拭干净，接着将其烘干，置于金相显微镜上观察其组织。

若其组织清晰可见且无明显划痕就可以对其进行金相摄影。

2.3.2观察试样的显微组织在金相显微镜下对制成的试样进行金相显微组织的观察，加入不同的变质剂后合金的显微组织如下：（a）未变质处理（b）P盐变质处理（c）P盐+Sr变质处理3、实验结论与分析3.1实验结论如上图a（未变质铸态）、b（P盐变质）、c（P盐+Sr变质）的显微组织，可以看出，未变质的组织存在粗大的初晶硅和针状的共晶硅，但经过变质处理过后，组织发生了明显的变化，共晶硅生长由长的针状变为细小的、均匀分布的椭球状，而初晶硅由块状转变为椭球状，从而得到了明显的细化作用，而通过P盐+Sr变质后的合金显微组织更为细小，无论是初晶硅还是共晶硅都得到了不同程度的细化。

（1）经P盐变质处理后，AL-Si合金初晶硅的尺寸由变质前的粗大状细化为椭圆球状，且分布均匀。

（2）经P盐+Sr共同变质后的合金组织不仅初晶硅得到细化，而且共晶硅也得到了细化，并且共同变质后的效果要明显好于单个变质剂的作用效果，复合变质效果大于单个变质剂作用效果的作用之和。

3.2产生结果的可能原因合金的性能由合金的金相组织所决定，金相组织由合金成分、冷却速度、凝固时外加力场（如静压力、震动、电磁力）等所决定。

通过调控制上述各个因素，能获得多种多样，符合技术条件要求的合金组织。

变质处理是常用的组织控制手段，在合金成分、冷却速度、凝固时外加力场不变的情况之下在铝液中加入少量添加剂，使合金的金相组织发生明显的变化，获得理想的合金组织。

变质处理大致可以分为三类，第一类是晶粒细化处理，主要用来细化固溶体的晶粒，第二类是共晶体变质，用来改变共晶体的组织，广泛应用于铝硅合金，第三类是改善杂质相的组织或者消除易熔杂质相，如加铍、加锰等改变粗大的富铁相等。

3.3变质机制讨论目前对铝硅合金中初生硅相细化处理的方法有:添加细化剂(变质剂)法、超声波振动法、急冷法、低温铸造法、熔液加压铸造法等。

其中研究较多的方法是添加细化剂(变质剂)法。

人们通常使用赤磷或含磷的中间合金变质过共晶铝硅合金。

为了在工艺上控制磷的加入量和提高磷的吸收率,也有许多人使用磷的化合物(如PCl5、PCl或PNCl2等)细化初生硅。

据文献报道,用于细化初生硅的非磷类细化变质剂有砷及铍,不过单独使用的较少。

初生硅在铝液中按孪晶凹谷机制生长,磷变质虽然可得到过共晶组织,但是过共晶硅为针状,合金的力学性能较差,人们对此也不满意。

为了克服这两种变质的缺点,人们又进行了双重细化变质(即联合变质)的研究,其目的是既细化共晶硅组织,又使初晶硅的尺寸减小。

迄今为止,亚共晶铝硅合金的变质元素除钠以外,还有锶、碲、钡、锑、钾、稀土、硼、硫等。

其中,应用较多的是含钠和锶的变质剂。

变质处理从根本上改变了铝硅合金中硅相的生长方式,使之从片状转变为纤维状,大大改善了铝硅合金的组织,提高了力学性能。

锶比钠更好的提高了铝硅合金的伸长率和冲击韧性。

实际生产中使用的变质剂主要是钠盐、锶铝合金、稀土、赤磷及含磷中间合金。

基于复合变质(双变质、联合变质)的观点,研究人员最近开发了锶盐复合变质剂,它具有双重变质作用,并且可以细化合金中的铁相和Mg2Si相,提高合金的力学性能(对ZL109合金,其常温抗拉强度提高10～20MPa,高温抗拉强度提高20MPa上)。